LED'ens lysprincip

Alleden genopladelige arbejdslampe, bærbar campinglampeogmultifunktionel pandelampeBrug LED-pæretypen. For at forstå princippet bag LED-dioder, skal man først forstå den grundlæggende viden om halvledere. De ledende egenskaber ved halvledermaterialer ligger mellem ledere og isolatorer. Dens unikke egenskaber er: Når halvlederen stimuleres af eksterne lys- og varmeforhold, ændres dens ledende evne betydeligt; tilsætning af små mængder urenheder til en ren halvleder øger dens evne til at lede elektricitet betydeligt. Silicium (Si) og germanium (Ge) er de mest almindeligt anvendte halvledere i moderne elektronik, og deres ydre elektroner er fire. Når silicium- eller germaniumatomer danner en krystal, interagerer naboatomer med hinanden, så de ydre elektroner deles af de to atomer, hvilket danner den kovalente bindingsstruktur i krystallen, som er en molekylær struktur med lille begrænsningsevne. Ved stuetemperatur (300 K) vil termisk excitation få nogle ydre elektroner til at få nok energi til at bryde væk fra den kovalente binding og blive til frie elektroner. Denne proces kaldes intrinsisk excitation. Når elektronen er frigjort og bliver til en fri elektron, opstår der en ledig plads i den kovalente binding. Denne ledig plads kaldes et hul. Udseendet af et hul er et vigtigt træk, der adskiller en halvleder fra en leder.

Når en lille mængde pentavalent urenhed, såsom fosfor, tilsættes den intrinsiske halvleder, vil den have en ekstra elektron efter at have dannet en kovalent binding med andre halvlederatomer. Denne ekstra elektron behøver kun meget lidt energi for at slippe af med bindingen og blive en fri elektron. Denne type urenhedshalvleder kaldes elektronisk halvleder (N-type halvleder). Men tilføjelse af en lille mængde trivalente elementære urenheder (såsom bor osv.) til den intrinsiske halvleder, fordi den kun har tre elektroner i det ydre lag, vil det efter dannelsen af ​​en kovalent binding med de omgivende halvlederatomer skabe en tomhed i krystallen. Denne type urenhedshalvleder kaldes hulhalvleder (P-type halvleder). Når N-type og P-type halvledere kombineres, er der en forskel i koncentrationen af ​​frie elektroner og huller ved deres forbindelse. Både elektroner og huller diffunderes mod den lavere koncentration, hvilket efterlader ladede, men immobile ioner, der ødelægger den oprindelige elektriske neutralitet i N-type og P-type regionerne. Disse immobile ladede partikler kaldes ofte rumladninger, og de er koncentreret nær grænsefladen mellem N- og P-regionerne for at danne et meget tyndt område med rumladning, som er kendt som PN-forbindelsen.

Når en fremadrettet biasspænding påføres begge ender af PN-overgangen (positiv spænding på den ene side af P-typen), bevæger hullerne og de frie elektroner sig omkring hinanden og skaber et indre elektrisk felt. De nyligt injicerede huller rekombineres derefter med de frie elektroner og frigiver nogle gange overskydende energi i form af fotoner, hvilket er det lys, vi ser udsendt af lysdioder. Et sådant spektrum er relativt smalt, og da hvert materiale har et forskelligt båndgab, er bølgelængderne af de udsendte fotoner forskellige, så farverne på lysdioderne bestemmes af de anvendte grundmaterialer.